C语言隐式类型转换和算术转换详讲

Posted 2021-09-26 敲键盘的钢琴家

表达式求值

• • 隐式类型转换
  • 如何进行提升的？
  • 算术转换
  • 操作符的属性

隐式类型转换

C的整型算术运算总是至少以缺省整型类型的精度来进行的。为了获得这个精度，表达式中的字符和短整型操作数在使用之前被转换为普通整型，这种转换称为整型提升。

整型提升的意义：表达式的整型运算要在CPU的相应运算器件内执行，CPU内整型运算器(ALU)的操作数的字节长度

一般就是int的字节长度，同时也是CPU的通用寄存器的长度。

因此，即使两个char类型的相加，在CPU执行时实际上也要先转换为CPU内整型操作数的标准长度。

通用CPU（general-purposeCPU）是难以直接实现两个8比特字节直接相加运算（虽然机器指令中可能有这种字节相加指令）。所以，表达式中各种长度可能小于int长度的整型值，都必须先转换为int或unsigned int，然后才能送入CPU去执行运算。

实例：

char a,b,c;
...
a = b + c;
b和c的值被提升为普通整型，然后再执行加法运算。
加法运算完成之后，结果将被截断，然后再存储于a中。

如何进行提升的？

整形提升是按照变量的数据类型的符号位来提升的，具体如下

//负数的整形提升
char c1 = -1;
变量c1的二进制位(补码)中只有8个比特位：
1111111
因为 char 为有符号的 char
所以整形提升的时候，高位补充符号位，即为1
提升之后的结果是：
11111111111111111111111111111111
//正数的整形提升
char c2 = 1;
变量c2的二进制位(补码)中只有8个比特位：
00000001
因为 char 为有符号的 char
所以整形提升的时候，高位补充符号位，即为0
提升之后的结果是：
00000000000000000000000000000001
//无符号整形提升，高位补0

实例1：

int main()
{
    char a=3;//a是1byte-8bit
    //00000000000000000000000000000011
    //00000011-a在内存中的实际存储
    char b=127；//b是1byte-8bit
    //00000000000000000000000001111111
    //01111111-b在内存中的实际存储
    //从最低位开始进行截断
    
//a和b都是char类型，自身大小都是1byte，所以这里计算的时候要进行整型提升
    
    //00000000000000000000000000000011
    //00000000000000000000000001111111
    //00000000000000000000000010000000
    
    char c=a+b;
    //10000010-c
    //发生整型提升
    //11111111111111111111111110000010-补码(在内存的形式)
    //11111111111111111111111110000001-反码
    //10000000000000000000000001111110-原码(-126)
}

实例2、

int main()
{
 char a = 0xb6;
 //11010110
 //以高位1为符号位进行整型提升，得到
 //11111111111111111111111111010110
 short b = 0xb600;
 //b为short类型，大小为两个字节也要发生整型提升
 int c = 0xb6000000;
 //c为int类型，大小为四个字节，不需要整型提升，即0xb6000000为本身的值
 if(a==0xb6)
 printf("a");
 if(b==0xb600)
 printf("b");
 if(c==0xb6000000)
 printf("c");
 return 0;
}

算术转换

如果某个操作符的各个操作数属于不同的类型，那么除非其中一个操作数的转换为另一个操作数的类型，否则操作就无法进行。下面的层次体系称为寻常算术转换。

long double
double
float
unsigned long int
long int
unsigned int
int

如果某个操作数的类型在上面这个列表中排名较低，那么首先要转换为另外一个操作数的类型后执行运算。

算术转换实例：

int main()
{
    int a=0;
    float b=3.14f;
    float s=a+b;
    //a先算术转换成float类型，然后和b进行计算
}

警告： 但是算术转换要合理，要不然会有一些潜在的问题。

float f = 3.14;
int num= f;//隐式转换，会有精度丢失

操作符的属性

复杂表达式的求值有三个影响的因素：
1、操作符的优先级
2、操作符的结合性:从左到右或从右到左
3、是否控制求值顺序。
两个相邻的操作符先执行哪个？取决于他们的优先级。如果两者的优先级相同，取决于他们的结合性。

注意：即使掌握了表达式求值的规律和顺序，一些表达式也无法求出确切的值。如下面表达式

//表达式的求值部分由操作符的优先级决定。
//表达式1
a*b + c*d + e*f
注释：代码1在计算的时候，由于比+的优先级高，只能保证
的计算是比+早，但是优先级并不
能决定第三个*比第一个+早执行。
所以表达式的计算机顺序就可能是：
a*b
c*d
a*b + c*d
e*f
a*b + c*d + e*f
或者：
a*b
c*d
e*f
a*b + c*d
a*b + c*d + e*f

//表达式2
c + --c;

注释：同上，操作符的优先级只能决定自减–的运算在+的运算的前面，但是我们并没有办法得知，+操作符的左操作数的获取在右操作数之前还是之后求值，所以结果是不可预测的，是有歧义的。

表达式3
int main()
{
    int a=1;
    int d=0;
    d=(++a)+(++a)+(++a);
}

解析：这是在VS2019编译器中的汇编过程，把a的值放到eax中，给eax增加1，再将eax挪回到a，此时a为2；把a在放到ecx中，给ecx增加1，a变成3；再将a放到edx中，给edx加1，把edx的值挪回a，a变成4，把a的值放到eax中，给eax加个a，在加个a；得到12将eax的值挪到d中

这段代码中的第一个 + 在执行的时候，第三个++是否执行，这个是不确定的，因为依靠操作符的优先级 和结合性是无法决定第一个 + 和第三个前置 ++ 的先后顺序。

//代码4
int fun()
{
     static int count = 1;
     return ++count;
}
int main()
{
     int answer;
     answer = fun() - fun() * fun();
//- *逻辑清晰，但三个函数先调用的那个无法确定
     printf( "%d\\n", answer);//输出多少？
     return 0;
}

虽然在大多数的编译器上求得结果都是相同的。

但是上述代码 answer = fun() - fun() *fun();中我们只能通过操作符的优先级得知：先算乘法， 再算减法。

函数的调用先后顺序无法通过操作符的优先级确定。

总结：我们写出的表达式如果不能通过操作符的属性确定唯一的计算路径，那这个表达式就是存在问题的。